[쿠키과학] 병원균 공격 알리는 식물 ‘경보 시스템’… IBS, 면역 스위치 첫 규명

식물이 병원균 공격을 받으면 이를 알아채고 면역 체계를 가동하는 ‘위험경보시스템’의 핵심 원리가 밝혀졌다.

이를 활용하면 병에 강한 작물을 개발하는 데 도움이 될 전망이다.

기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단 이두화 초빙연구위원팀은 식물 세포벽에서 나오는 당 분자 조각 ‘람노갈락투로난-I(Rhamnogalacturonan-I, RG-I)’가 위험 신호 역할을 하며, 이를 인식하는 수용체 6종을 최초로 규명했다.

아울러 연구팀은 식물 수용체와 세포벽 당 분자 조각의 상호작용을 한 번에 분석하는 대규모 고속 스크리닝 플랫폼도 구축했다.

움직일 수 없는 식물은 병원균이 침입하면 위험을 감지하고 면역 체계를 작동해야 한다.

이 과정에서 가장 먼저 공격받는 곳이 식물 세포를 둘러싼 단단한 세포벽이다.

병원균은 세포벽을 분해하는 효소를 분비해 식물 내부로 침입한다.

이때 부서진 세포벽에서는 여러 종류의 당 분자 조각이 만들어지고, 일부는 식물에게 공격받고 있음을 알린다.

그러나 어떤 당 분자가 위험 신호인지, 어떤 수용체가 이를 감지하는지는 밝혀지지 않았다.

세포벽에는 수많은 당 분자가 있고 식물에는 수백 개의 후보 수용체가 존재해 하나씩 확인하는 기존 연구 방식으로는 한계가 있었다.

연구팀은 애기장대의 세포막 수용체 357종과 세포벽 유래 당 분자 조각 122종을 각각 라이브러리로 만든 뒤 교차 반응시키는 대규모 스크리닝 플랫폼을 구축했다.

수용체와 당 분자가 결합하면 형광 신호가 나타나는 원리를 이용해 총 4만 3554개 조합을 동시에 분석했다.

그 결과 RG-I와 선택적으로 결합하는 수용체 6종을 찾아냈다.

연구팀은 이 수용체군을 ‘ARM(Awareness of RG-I Maintenances)’로 명명했다.

RG-I는 식물 세포벽을 이루는 펙틴의 주요 구성 성분이다.

평소에는 세포벽 안에 존재하지만 병원균이 세포벽을 파괴하면 잘게 부서져 밖으로 나온다.

연구팀은 식물이 이 조각을 위험 신호로 인식해 면역 반응을 시작한다는 사실을 확인했다.

실험 결과 식물에 RG-I를 처리하자 면역신호 전달 경로가 활성화됐고 방어 관련 유전자 발현도 크게 늘었다.

병원성 세균에 감염시키기 전에 RG-I를 먼저 처리한 식물은 병원균에 더 강한 저항성을 보였다.

이는 실제 공격을 받기 전에 경보를 먼저 들은 식물이 방어 태세를 미리 갖춰 병원균 침입에 더 효과적으로 대응했음을 의미한다.

연구팀은 ARM 수용체가 실제 경보 장치 역할을 하는지 검증했다.

크리스퍼 유전자가위 기술로 ARM 수용체 6종을 모두 제거한 식물을 제작한 뒤 RG-I를 처리하자 면역 효과가 크게 줄었고 병원균에도 훨씬 취약해졌다.

위험 신호가 발생해도 이를 받아들이는 감지기가 없어 면역 체계가 제대로 작동하지 못한 것.

연구팀은 이 플랫폼이 앞으로도 새로운 세포벽 유래 위험 신호와 이를 인식하는 수용체를 지속적으로 찾아내는 기반 기술이 될 것으로 기대했다.

이 연구위원은 “이번 플랫폼은 수만 건의 상호작용을 정량 데이터로 축적할 수 있다는 점이 가장 큰 강점"이라며 ”새로운 위험 신호와 이를 인식하는 수용체를 훨씬 빠르게 찾아 식물 면역 연구와 병 저항성 작물 개발에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 지난달 국제학술지 ‘Molecular Plant’에 게재됐다.
(논문명: High-Throughput Glycan Array Screening Reveals Rhamnogalacturonan-I as a ligand for Arabidopsis Leucine-Rich Repeat Receptor Kinases Involved in Plant Immunity)

이재형 기자 jh@kukinews.com